2.3
磁致伸縮 (Magnetostriction) 與磁彈性 (Magnetoelastic)
磁致伸縮 (Magnetostriction) 與磁彈性 (Magnetoelastic) 剛好是兩個相反的效應，
簡單的說明如下：
2.5. 壓電材料 - PZT 9
Figure 2.4: 拋光材料 (a) 拋光皮 (b) 拋光液 (c) 銅油
2.5
壓電材料 - PZT
近年來壓電材料被廣為使用，例如鈦酸鋇 (BaTiO3)、氧化鋅 (ZnO)、氮化鋁 (AlN) 等 等。PZT 鋯 鈦 酸 鉛 (Lead zirconate titanate) 是 最 常 見 的 一 種 壓 電 陶 瓷，化 學 式 為 Pb[ZrxTi1−x]O3(0≤x≤1)，PZT 具有獨特的鈣鈦礦 (Perovsktie) 結構及強鐵電性質，相較 其他壓電材料其具有更佳的壓電性，其晶體結構如圖2.5，但是並不是每個壓電材料都 擁有鐵電性質。鐵電材料因存在不對稱中心，當溫度大於居禮溫度時，中心正或負電荷 沒有任何改變，自發極化消失，鐵電性變為順電性，如圖2.5 (a)，但是當溫度低於居禮溫 度時，中心正或負電荷會偏離中心位置，產生電偶極，出現自發極化現象，此時若施加 應力或外加電場則可改變此自發極化的方向，如圖2.5 (b)。鐵電材料可量測出電滯曲 線，如圖2.6，由於存在一殘餘極化量，導致加電壓極化 PZT 後再將電壓關掉其形狀不會 和極化前一樣，即 PZT 存在一形變量。我們所使用的 PZT 型號為 APC-855(American Piezoceramics Inc., PA, USA)，大小為 15×5×2 mm3 和 15×5×0.2 mm3，在 PZT 壓電 陶瓷的兩面各有一層已鍍好的銀電極，厚度大約是 12.7×10−3mm，我們只要使用銀膠 將銅線黏在上下兩面，即可導電形成電位差。
2.5. 壓電材料 - PZT 10
Figure 2.5: PZT 結構圖 (a) 大於居禮溫度時 (b) 小於居禮溫度時產生自發極化 [15]
Figure 2.6: 典型的電滯曲線圖 [16]
2.6. 雲母片 (Mica) 11 片上成長薄膜，腔體破真空後取出此樣品，再使用環氧樹脂 (Epoxy adhesive) 將其黏 於 PZT 上。由於雲母晶體受到外力會沿著某一結晶面呈平整狀裂開，此現象稱為解理
Chapter 3
實驗儀器
3.1
超高真空鍍膜系統 (UHV Deposition System)
Figure 3.1: 實驗室鍍膜系統
實驗室的鍍膜系統如圖3.1，利用鍍膜系統，我們在 PZT、雲母片和蜂鳴器上成長 Pd/Ni/Pd 薄膜，之後將成長好的樣品黏上電極 (銅線)，通入電場，量測其磁性的變化。鍍 膜系統上的鍍槍是實驗室自己製作的，我們將較細的鎢絲繞在較粗的鎢上當作燈絲，再 將鉬製成的坩堝鎖上，塞入要鍍的鍍原，就成為我們所使用的鍍槍，如圖。將鍍槍鎖好後，
我們會在腔體纏上加熱帶烘烤腔體，目的是使腔體中水氣蒸發經由渦輪幫浦抽出，大約 烘烤 12 小時。烘烤後壓力大約是 3×10−7 torr，接著清燈絲和鍍原 (鍍槍第一次使用需先 清坩堝及熔鍍原)，清完後停止烘烤腔體，待腔體冷卻後開始在基板上成長薄膜，此時壓力
12
3.2. 磁光柯爾效應系統 (MOKE System) 13
大約是 3×10−9 torr，將高壓正極接在坩堝鍍原上，負極接燈絲並接地，在燈絲及坩堝鍍 原間形成一電位差，利用電子轟擊坩堝，使內部鍍原接近其熔點形成蒸氣沉積在基板上。
3.2
磁光柯爾效應系統 (MOKE System)
Figure 3.2: 磁光柯爾效應系統
Figure 3.3: 磁光柯爾效應系統配置圖
磁光柯爾效應 (Magneto-Optical Kerr Effect) 系統為我們量測樣品磁性行為主要使 用的儀器，如圖3.2，此效應證實了光與外加磁場的交互作用關係，其原理為當一線性偏 振光打在樣品上，而線性偏振光由兩個振幅相同的左旋光和右旋光組成，此時我們外加 一磁場磁化樣品，因磁化對左旋光和右旋光的影響，使得兩者反射和吸收係數不同，則行
3.2. 磁光柯爾效應系統 (MOKE System) 14
(1) 縱向磁光柯爾效應 (Longitudinal MOKE)：外加磁場平行於樣品表面及入射平面。
(2) 極化磁光柯爾效應 (Polar MOKE)：外加磁場垂直於樣品表面及入射平面。
(3) 橫向磁光柯爾效應 (Transverse MOKE)：外加磁場平行於樣品表面但和入射平面垂 直。
Figure 3.4: MOKE 量測系統可分為三類 (a)L-MOKE (b)P-MOKE (c)T-MOKE
磁滯曲線為使用磁光柯爾效應系統量測得到的結果，如圖3.5所示，a 點為正磁化樣 品到最大值，與零磁化的差值稱為飽和磁化量，當磁場減少至零場，樣品內部磁矩會回到 能量較低的位置 (b 點)，我們稱此為殘磁，再往負場去磁化樣品，最後會再往正場磁化一 次樣品，就可以得到磁滯曲線，c 點和原點的差值為矯頑力，表示外加多少磁場能夠磁化 或去磁化樣品，磁滯曲線的面積代表磁能的大小。
3.3. 應變計 (Strain Gauge) 15
Figure 3.5: 磁滯曲線 (Hysteresis loop) 示意圖 [14]
3.3
應變計 (Strain Gauge)
Figure 3.6: 應變計 (Strain Gauge)
應變計如圖3.6，是一種用來測量物體形變的工具，1938 年先後由 Edward E. Simmons 和 Arthur C. Ruge 各自獨立發明出來。應變計可將物體形變運動轉換為電子訊號，應變 分為壓縮和拉伸，儀器結構主要是絕緣塑膠片包覆著很密的電阻，利用電阻變化可以得 知物體形變狀況，一個典型的應變片主要測量形變的方向為平行方向，若給定一座標軸，
3.4. X 光繞射分析儀 (XRD) 16 我們的實驗中，我們使用環氧樹脂 (Epoxy adhesive)，也就是 AB 膠，將應變計分別黏 於 2 mm 與 0.2 mm 厚的 PZT 上，加高壓後觀察其電阻變化，最後再從其變化趨勢分析 定我們成長在 PZT(111) 上的薄膜為 Pd(111) 和 Ni(111)，儀器如圖3.7。材料的晶體分子 整齊的排列，入射光打到某個晶面後反射，且入射角和反射角相同，不同反射光彼此互相 干涉，產生建設性干涉，在接收器端形成繞射圖樣，利用此現象判斷晶格結構，此繞射現 象須滿足布拉格定律：
2d sin θ = nλ
3.5. 穿透式電子顯微鏡 (TEM) 17
其中 d 為晶格面之間距，θ 為入射波和晶格面的夾角，λ 為 X 光之波長。不同的晶格結構 會有不同的晶面間距，所以也會有不同的繞射角 (2d sin θ)，從 XRD 圖譜中可以得到繞 射角 (2d sin θ) 及繞射峰強度 (I)，我們可以從中得知晶胞大小、晶體成長的狀況、晶體內 部原子的種類等等，圖3.8為布拉格定律示意圖。
Figure 3.8: 布拉格定律示意圖 [14]
3.5
穿透式電子顯微鏡 (TEM)
穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy) 被用來分析材料內部型態 和晶體結構，若配合能量分散光譜儀 (Energy Dispersive Spectroscopy，EDS) 使用，則可 定量材料內部成分及分析其結構。我們利用此顯微鏡得到我們所成長的薄膜的厚度，再 推算我們鍍膜的鍍率，並且利用其成分分析特性，得到所成長每層薄膜或薄膜層與層間 的元素比例。
Chapter 4
4.1. 磁性行為量測 (MOKE) 19
Figure 4.1: 雷射光打在蜂鳴器上的位置 (a) 蜂鳴器背面 (b) 蜂鳴器正面
Figure 4.2: 加電壓 0 V 和 30 V 雷射打在蜂鳴器不同位置的形變程度
4.1. 磁性行為量測 (MOKE) 20
Figure 4.3: 加電壓 0 V 和 30 V 後雷射反射點的位置差與雷射打在蜂鳴器不同位置之關係圖
Figure 4.4: 蜂鳴器形變角度量測示意圖
4.1.2 Pd/Ni/Pd/Mica/PZT
我們成長了很多不同條件的 Ni 在 Pd/Mica 上，最後蓋上同樣條件的 Pd，再用 AB 膠黏在 2 mm 厚的 PZT 上，但只有 Pd(4.2 nm)/Ni(15 nm)/Pd(14 nm)/Mica/PZT(2 mm) 這個樣品，在通入電場後，磁性行為發生變化。從圖4.5可以發現，當樣品垂直於磁場時，外 加正電場越大，矯頑力也越大，且磁性變化是有序的；反之，若外加的電場為負電場，電場 越大，矯頑力就越小，一樣看得出有序的變化。但是，當樣品平行於磁場時，外加電場對磁 性變化就沒有那麼明顯了，如圖4.6，其原因可能是 PZT 的短邊形變較小，帶動 Mica 和 磁性層的力就更小，從圖4.21中得知，Strain gauge 平行於 PZT 的黏法形變量大於垂直 於 PZT 的的黏法。而 0.2 mm 厚的 PZT，外加電場後，我們並沒有在此系列的樣品上發現 磁性行為的變化，有可能是因為 PZT 太薄，扯不動雲母片。
另外，我們對 Pd(4.2 nm)/Ni(15 nm)/Pd(14 nm)/Mica/PZT(2 mm) 此樣品作電場對
4.1. 磁性行為量測 (MOKE) 21
矯頑力的數據圖，如圖4.7，我們發現在小場附近 (0 V 到 15 V 附近) 會有不連續的現象，
推測是由於 PZT 加電壓後有殘餘極化量，使得其形狀和未極化前不同，所以磁性也不同，
從 Strain 量測圖中可看出其形變量的不同，圖4.21 (a)。
Figure 4.5: 通電場後之 MOKE data，樣品垂直於磁場 (a) 正極化 (b) 負極化
4.1. 磁性行為量測 (MOKE) 22
Figure 4.6: 通電場後之 MOKE data，樣品平行於磁場 (a) 正極化 (b) 負極化
Figure 4.7: Pd(4.2 nm)/Ni(15 nm)/Pd(14 nm)/Mica/PZT(2 mm) 之 HC− E 圖
4.1. 磁性行為量測 (MOKE) 23
同 樣 在 此 系 統 中 我 們 也 鍍 了 不 同 參 數 的 樣 品，Pd(4.2 nm)/Ni(24 nm) /Pd(14 nm)/Mica/PZT(2 mm)，起初加電壓後我們並沒有量到任何磁性行為變化，後來我們 使用刀片將此樣品的雲母片刮了很薄一層下來，在黏到同樣一塊 PZT 背面，加電壓後進 行磁性量測。加電壓後我們發現其磁性變化是有序的，雖然背景雜訊有點大，但大致上還 是看的出來，如圖4.8，一開始加電壓後量不到磁性行為變化有可能是因為雲母片太厚，以 至於 PZT 形變後拉扯不動。
Figure 4.8: 通電場後之 MOKE data，樣品垂直於磁場 (a) 正極化 (b) 負極化
4.1.3 Pd/Ni/Pd/Kapton/PZT
聚醯亞胺薄膜 Kapton 具有彈性且耐熱，若以此薄膜為基板，有較大的機率在 PZT 形變時被帶動，且應力也比較能夠被完整傳遞，但是在此系列的樣品中，我們還未找到適 合的鍍膜參數，薄膜的磁性量的到，但是外加電場後並沒有看到磁性行為的改變，推測原 因之一可能是聚醯亞胺薄膜太厚，而 PZT 的形變並不大，所以沒有足夠的應力來扯動此 基板。
4.2. X 光繞射分析 (XRD) 24
4.2. X 光繞射分析 (XRD) 25
Figure 4.10: (a) 粗 掃 (b) 細 掃 之 Pd(4.2 nm)/Ni(15 nm)/Pd(14 nm)/Mica/PZT(2 mm) XRD 圖 (c) 粗掃 (d) 細掃之 Pd(4.2 nm)/Ni(45 nm)/Pd(14 nm)/Mica/PZT(2 mm) XRD 圖
Figure 4.11: (a) 粗掃 (b) 細掃之 Mica XRD 圖 (c) 粗掃 (d) 細掃之 PZT XRD 圖
4.3. TEM 量測 26
Figure 4.12: PZT 之 XRD 圖 [3]
4.3
TEM 量測
Figure 4.13: Pd(4.2 nm)/Ni(15 nm)/Pd(14 nm)/Mica/PZT(0.2 mm) 之 TEM 量測
為了得到樣品每層及介面的成分分析與鍍膜厚度，我們請做了 TEM 分析，如 圖4.13可以得知，保護層 Pd 及緩衝層 Pd 分別鍍了 3 分鐘及 10 分鐘，Pd 的鍍率約為每 分鐘 1.4 nm，而磁性層 Ni 鍍了五分鐘，鍍率約為每分鐘 3 nm，且由4.14發現我們所鍍的 薄膜有斷開的情形，推測是由 PZT 形變所造成的。另外，圖4.15∼ 4.19可清楚看見樣品 每層或介面的成分分析，TEM 能讓我們了解我們鍍的薄膜的品質，並且可以初步知道在
4.3. TEM 量測 27
介面有無合金形成。
Figure 4.14: TEM 量測：薄膜 Pd/Ni/Pd 有斷開情形
Figure 4.15: 保護層 Pd 之成分分析
4.3. TEM 量測 28
Figure 4.16: 磁性層 Ni 之成分分析
Figure 4.17: 緩衝層 Pd 之成分分析
Figure 4.18: 雲母片與緩衝層 Pd 介面之成分分析
4.3. TEM 量測 29
Figure 4.19: 雲母片 (基板) 之成分分析
4.4. 形變測量與分析 30
4.4. 形變測量與分析 31
Figure 4.21: 2 mm 厚 PZT 之形變量測 (a)Gauge 1 (b)Gauge 2 (c)Gauge 3
Figure 4.22: 通電場後 2 mm 厚 PZT 之形變
4.4. 形變測量與分析 32
4.4.2 PZT(0.2 mm)
Figure 4.23: (a) 應變計黏於 0.2 mm 厚 PZT 上之裝置示意圖 (b) 量測結果
由於已知 Strain gauge 在不同擺放位置所測得 PZT 的形變趨勢相同，所以量測 0.2 mm 厚之 PZT 時，我們只黏上一個 Strain gauge，如圖4.23所示。其形變量為 0.224‰，
形狀變化如圖4.24，當電場加到 + 350 V/mm 時，其長和寬變小，高變大；關回零場時，
其長和寬變大，高變窄，但不會回到原本的形狀；再將電場加到 - 350 V/mm，其長和寬 變更大，高變更窄；關回零場時，其長和寬變小，高變大，也不會回到原來的形狀；再加至
其長和寬變大，高變窄，但不會回到原本的形狀；再將電場加到 - 350 V/mm，其長和寬 變更大，高變更窄；關回零場時，其長和寬變小，高變大，也不會回到原來的形狀；再加至